CN102331523A - 小型天线谐振频率的检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型天线谐振频率的检测系统及检测方法，主要解决现有技术检测条件高、难以保证检测的可重复性、且每次测试都需要拆卸和装配天线产品，破坏天线产品结构的缺点。该检测系统包括计算机、矩形微波传输线腔体、矢量网络分析仪和气动动力系统。测量时，将天线加载到矩形微波传输线腔体内天线夹具上，矢量网络分析仪通过馈入耦合探针将电磁场耦合到矩形微波传输线腔体内，馈出耦合探针实时获得两耦合探针之间的耦合系数S₁₂，并传输到计算机进行分析和判断，显示天线产品是否合格。与现有技术相比，本发明降低了天线检测的技术条件，测试时不需要拆卸和装配天线产品；保证了测试的可重复性，可操作性强。

Description

小型天线谐振频率的检测系统及检测方法

技术领域

本发明属于无线通信测试测量领域，涉及天线谐振频率的检测系统及其检测方法，可用于对小型天线谐振频率的检测。

技术背景

近十几年来，随着全球通信技术的发展日新月异，尤其是近两三年，无线通信技术的发展速度与应用领域已经超过了固定通信技术，呈现出如火如荼的发展态势。其中最具代表性的有蜂窝移动通信、宽带无线接入，也包括集群通信、卫星通信，以及手机视频业务与技术。使用无线通讯的产品范畴亦由移动电话、无线局域网络由器、手提电脑领域扩展到诸如手机电视、数字相机、无线电视游戏机、GPS导航器和RFID标签。小型天线在这些系统中发挥着日益重要的作用，也决定了这些系统的性能，成为这些系统发展的瓶颈，当然在这些系统中，天线的设计面临着巨大的挑战，对天线的性能也提出了各式各样的要求。因此对数以万计的天线进行快速检测与测量成为亟待解决的问题。

常规的小型天线产品检测方法有空中性能测试OTA、TEM CELL测试和微波暗室等测试方法，小型天线的一些指标还可以利用耦合测试板来进行检测和测量。

常规方法对小型天线产品谐振频率的检测均需要使用矢量网络分析仪，以手机天线为例，其检测步骤如下：

先将手机天线和手机主电路板装配到一起，使手机天线具有辐射功能；然后从手机内部引出内芯连接天线馈电极，外导体连接天线接地极的同轴电缆或者微带线，并连接到矢量网络分析仪上；最后装配上手机机壳，通过矢量网络分析仪来测试手机天线的谐振频率f₀。

由于实际的工业生产需要对数量庞大的天线产品逐一进行检测，而常规的天线检测方法必须得对天线产品进行直接测试，检测要求的技术条件也高，需要从天线产品内部引出一根测试同轴电缆或者微带线，难以保证每次测试馈电点的位置，即难以保证检测的可重复性，且每次测试都需要拆卸和装配天线产品。鉴于小型天线产品的特殊性，即通常情况下，小型天线已经安装到产品内部，因此利用常规的天线检测方法显然是不可行的。例如手机天线是安装在手机内部，利用常规方法进行检测，需要引出一根测试同轴电缆或者微带线，而这些电缆或者微带线会破坏手机的结构，必须在天线安装到手机之前进行测量，而且测量不能破坏手机自身的结构。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺点，提出了一种小型天线谐振频率的检测系统及其检测方法，对天线产品的天线谐振频率进行间接测试，在不破坏天线产品的自身结构的前提下，保证测试的可重复性和可操作性，实现对大量天线产品的天线性能进行逐一检测。

实现本发明目的的技术思路是利用加载小型天线的矩形微波传输线腔体内的天线谐振频率与装配到天线产品内的天线的谐振频率线性相关，以模拟手机内部天线工作环境，通过矢量网络分析仪实时检测矩形微波传输线腔体内小型天线的谐振频率。

一.本发明的小型天线谐振频率的检测系统，包括：

矢量网络分析仪，用于向加载小型天线的矩形微波传输线腔体内馈入电磁场，检测和接收腔体内传输参数S₁₂频率f之间的关系，并传输给计算机；

计算机，用于对矢量网络分析仪进行操控，并接收其检测到的天线参数，进行分析和判断，显示待测小型天线是否合格；

矩形微波传输线腔体，用于加载待测小型天线，以模拟待测小型天线在天线产品内的工作环境，实现在小型天线装配到产品之前对其谐振频率进行测试；

气动动力系统，用于控制矩形微波传输线腔体的开启与关闭，形成开腔和闭腔；该计算机通过仪表通用接口与矢量网络分析仪连接，矢量网络分析仪通过自身的馈入、馈出耦合探针与矩形微波传输线腔体连接；矩形微波传输线腔体与气动动力系统的气缸连接。

所述的矩形微波传输线腔体内设有两根接地弹簧探针和天线夹具，两根接地弹簧探针分别与天线馈电点和天线接地点连接，天线夹具固定在矩形微波传输线腔体底面；

所述的矩形微波传输线腔体，采用TE₁₀₁工作模式，腔体的尺寸满足：f₁＞f_H或λ₁＜λ_H，其中f_H为待测小型天线工作频段的最高频率，λ_H为f_H对应的波长，即待测小型天线工作频段的最小波长，f₁为矩形微波传输线腔的最低谐振频率，λ₁为最大谐振波长，

式中c为真空中的光速，a为矩形微波传输线腔横截面的长，l为矩形微波传输线腔的长度。

所述的天线夹具采用在ε_r＝3.4，tanδ＝0.02的尼龙介质板上镂出略大于小型天线形状的凹槽结构，用于放置小型天线。

所述的气动动力系统包括气泵，气缸，气管和电磁阀，通过电磁阀控制气泵鼓风和抽气以提供动力，进而控制气缸的升与降。

二.利用本发明检测系统进行小型天线谐振频率的检测方法，包括如下步骤：

(1)将待测小型天线置于检测系统的矩形微波传输线腔体内的天线夹具槽内，并调节矩形微波传输线腔上的两个接地弹簧探针，分别接待测小型天线的馈电点和接地点，形成闭合回路，使待测小型天线具有辐射功能；

(2)控制气动动力系统，关闭矩形微波传输线腔体，构成完整的加载待测小型天线的闭腔矩形微波传输线腔；

(3)矢量网络分析仪的馈入耦合探针以等间隔的离散扫频方式把电磁场耦合到矩形微波传输线腔体内，矢量网络分析仪的馈出耦合探针实时获得该馈入、馈出两探针之间的耦合系数S₁₂与频率f之间的关系，并传输给计算机；

(4)计算机对矢量网络分析仪所传输的数据进行分析和判断：

规定待测小型天线在天线产品上的谐振频率的合格范围为f₀±Δf，在谐振腔系统中的谐振频率为f±αΔf，其中f₀为待测小型天线装配到天线产品内的谐振频率，f为待测小型天线加载到矩形微波传输线腔体内的谐振频率，通过StatisticalProduct and Service Solutions，即SPSS软件对大量的测量数据f和f₀之间的相关性进行分析，表明这两个频率线性相关，α为两个频率线性关系中的斜率，Δf为在天线产品上要求的频率误差；

当S₁₂达到极大值时，对应的频率f_c即为待测小型天线在矩形微波传输线腔体内的谐振频率，判断待测小型天线是否合格：若f_c落在f±αΔf范围内，则判待测小型天线合格；反之f_c落在f±αΔf范围外，则判待测小型天线不合格。

本发明具有如下优点：

1.降低了天线检测的技术条件，测试时不需要拆卸和装配天线产品。

本发明利用加载到矩形微波传输线腔体内的天线谐振频率与装配到天线产品内的天线谐振频率线性相关，采用间接测量方法，可在天线装配到产品之前就对天线谐振频率进行测试，摆脱了传统测试中必须引出一根测试同轴电缆或者微带线，而这些电缆或者微带线会破坏天线产品的结构，克服了破坏天线自身结构的缺点。

2.保证了测试的可重复性。

本发明由于通过天线夹具确保每次测试待测小型天线放置位置和馈电点的位置都相同，即保证了检测的可重复性；

3.可操作性强

本发明由于使用气动动力系统，可自动控制矩形微波传输线腔腔体打开和关闭，形成开腔或闭腔，使得测试系统操作简单，易于操作。

附图说明

图1是本发明的测试系统框图；

图2是本发明加载小型天线的矩形微波传输线腔体图；

图3是本发明的测试方法流程图。

具体实施过程

参照图1，本发明的小型天线谐振频率的检测系统，包括计算机、矢量网络分析仪，矩形微波传输线腔和仪表通用接口。其中：矢量网络分析仪，采用Agilent E5071c型号，但又不局限于这一种型号，用于向加载小型天线的矩形微波传输线腔体内馈入电磁场，检测和接收腔体内传输参数S₁₂频率f之间的关系，并传输给计算机；气动动力系统，包括气泵，气缸，气管和电磁阀，气泵通过气管与气缸连接，利用电磁阀控制气泵鼓风和抽气以提供动力，以实现气缸的升与降，用于控制矩形微波传输线腔体的开启与关闭，形成开腔和闭腔；仪表通用接口采用的NI GPIB-USB-HS型号，用以连接计算机和矢量网络分析仪Agilent E5071c；矩形微波传输线腔体1，用于加载待测小型天线，以模拟待测小型天线在天线产品内的工作环境，实现在小型天线装配到产品之前对其谐振频率进行测试。计算机通过仪表通用接口NI GPIB-USB-HS与矢量网络分析仪Agilent E5071c连接，对其进行操控；矢量网络分析仪Aglient E5071c，设置扫频方式为等间隔的离散扫频方式，通过自身的馈入、馈出耦合探针4与加载小型天线的矩形微波传输线腔体1连接，其中馈入耦合探针将由矢量网络分析仪产生的电磁波馈入矩形微波传输线腔体内，馈出耦合探针实时探测矩形微波传输线腔体内的两探针间耦合系数S₁₂与电磁场频率f之间的关系；气动动力系统的气缸与矩形微波传输线腔体1底部连接，控制电磁阀使气缸上升或下降，以实现矩形微波传输线腔体1的打开和关闭。

所述矩形微波传输线腔体1的结构，如图2所示，它采用铝板或其他金属材料制作，且采用TE₁₀₁工作模式，即横电TE_mnp模中x方向半周期数为1，m＝1；y方向半周期数为0，n＝0；z方向半周期数为1，p＝1；腔体的尺寸满足：f₁＞f_H或λ₁＜λ_H，其中f_H为待测小型天线正常工作频段的最高频率，λ_H为f_H对应的波长，即待测小型天线正常工作频段的最小波长，f₁为矩形微波传输线腔体1的最低谐振频率，即TE₁₀₁工作模式下的谐振频率，

λ1为最大谐振波长，即TE₁₀₁工作模式下的谐振波长，

式中c为真空中的光速，α为矩形微波传输线腔横截面的长，l为矩形微波传输线腔的长度。该矩形微波传输线腔体1内设有两根接地弹簧探针5，其中一根接地弹簧探针接待测小型天线2馈电点，另一根接地弹簧探针接待测小型天线2接地点，使其馈电点和接地点均接地，形成闭合回路。腔体矩形微波传输线腔体1底面的中心位置固定有天线夹具3，该天线夹具3采用在ε_r＝3.4，tanδ＝0.02的尼龙介质板上镂出略大于小型天线形状的凹槽结构，用于放置待测小型天线2。

参照图3，本发明的小型天线谐振频率的检测方法，其具体实施步骤包括如下：

步骤1，将待测小型天线放置在检测系统的矩形微波传输线腔体内的天线夹具槽内，并调节矩形微波传输线腔上的两个接地弹簧探针，分别接待测小型天线的馈电点和接地点，使待测小型天线形成闭合回路，以具有辐射功能；

步骤2，控制气动动力系统，关闭矩形微波传输线腔腔体，构成完整的加载小型天线的闭腔矩形微波传输线腔；

步骤3，设置矢量网络分析仪的扫频方式为等间隔的离散扫频方式，其馈入耦合探针将电磁场耦合到矩形微波传输线腔体内，矢量网络分析仪的其馈出耦合探针实时获得该馈入、馈出两耦合探针之间的耦合系数S₁₂与频率f之间的关系，并传输给计算机；

步骤4，计算机对矢量网络分析仪所传输的数据进行分析和判断。

4.1)规定待测小型天线在天线产品上的谐振频率的合格范围为f₀±Δf，在谐振腔系统中的谐振频率为f±αΔf，其中f₀为待测小型天线装配到天线产品内的谐振频率，f为待测小型天线加载到矩形微波传输线腔体内的谐振频率，通过StatisticalProduct and Service Solutions，即SPSS软件对大量的测量数据f和f₀之间的相关性进行分析，表明这两个频率线性相关，α为两个频率线性关系中的斜率，Δf为在天线产品上要求的频率误差；

4.2)将馈入、馈出两耦合探针之间的耦合系数S₁₂达到极大值时所对应的频率f_c，作为待测小型天线在矩形微波传输线腔体内的谐振频率f_c；

4.3)根据谐振频率f_c判断待测小型天线是否合格：若f_c落在f±αΔf范围内，则判待测小型天线合格；反之f_c落在f±αΔf范围外，则判待测小型天线不合格。

Claims (6)

1.一种小型天线谐振频率的检测系统，包括：

矢量网络分析仪，用于向加载小型天线的矩形微波传输线腔体内馈入电磁场，检测和接收腔体内传输参数S₁₂频率f之间的关系，并传输给计算机；

计算机，用于对矢量网络分析仪进行操控，并接收其检测到的天线参数，进行分析和判断，显示待测小型天线是否合格；

矩形微波传输线腔体，用于加载待测小型天线，以模拟待测小型天线在天线产品内的工作环境，实现在小型天线装配到产品之前对其谐振频率进行测试；

气动动力系统，用于控制矩形微波传输线腔体的开启与关闭，形成开腔和闭腔；

所述的计算机通过仪表通用接口与矢量网络分析仪连接，矢量网络分析仪通过自身的馈入、馈出耦合探针(4)与矩形微波传输线腔体(1)连接；矩形微波传输线腔体(1)与气动动力系统的气缸连接。

2.根据权利要求1所述的小型天线谐振频率的检测系统，其特征在于矩形微波传输线腔体内设有两根接地弹簧探针(5)和天线夹具(3)，两根接地弹簧探针分别与天线馈电点和天线接地点连接，天线夹具(3)固定在矩形微波传输线腔体底面。

3.根据权利要求1所述的小型天线谐振频率的检测系统，其特征在于矩形微波传输线腔体(1)，它采用铝板或其他金属材料制作；且采用TE₁₀₁工作模式，腔体的尺寸满足：f₁＞f_H或λ₁＜λ_H，其中为f_H待测小型天线工作频段的最高频率，λ_H为f_H对应的波长，即待测小型天线工作频段的最小波长，f₁为矩形微波传输线腔的最低谐振频率，

λ₁为最大谐振波长，式中c为真空中的光速，a为矩形微波传输线腔横截面的长，l为矩形微波传输线腔的长度。

4.根据权利要求2所述的小型天线谐振频率的检测系统，其特征在于天线夹具(3)采用在ε_r＝3.4，tanδ＝0.02的尼龙介质板上镂出略大于小型天线形状的凹槽结构，用于放置小型天线。

5.根据权利要求1所述的小型天线谐振频率的检测系统，其特征在于气动动力系统包括气泵，气缸，气管和电磁阀，通过电磁阀控制气泵鼓风和抽气以提供动力，进而控制气缸的升与降。

6.一种利用权利要求1所述的检测系统进行小型天线谐振频率的检测方法，包括如下步骤：

(1)将待测小型天线放置在检测系统的矩形微波传输线腔体内的天线夹具槽内，并调节矩形微波传输线腔上的两个接地弹簧探针，分别接待测小型天线的馈电点和接地点，形成闭合回路，使待测小型天线具有辐射功能；

(2)控制气动动力系统，关闭矩形微波传输线腔体，构成完整的加载待测小型天线的闭腔矩形微波传输线腔；

(3)设置矢量网络分析仪的扫频方式为等间隔的离散扫频方式，其馈入耦合探针将电磁场耦合到矩形微波传输线腔体内，其馈出耦合探针实时获得该馈入、馈出两耦合探针之间的耦合系数S₁₂与频率f之间的关系，并传输给计算机；

(4)计算机对矢量网络分析仪所传输的数据进行分析和判断：

规定待测小型天线在天线产品上的谐振频率的合格范围为f₀±Δf，在谐振腔系统中的谐振频率为f±αΔf，其中f₀和f为待测小型天线在自由空间和腔体内测量的谐振频率，Δf为在天线产品上要求的频率误差，α为两个频率线性关系中的斜率；

当S₁₂达到极大值时，对应的频率f_c即为待测小型天线在矩形微波传输线腔体内的谐振频率，判断待测小型天线是否合格：若f_c落在f±αΔf范围内，则判待测小型天线合格；反之f_c落在f±αΔf范围外，则判待测小型天线不合格。

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